Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Климат планеты определяется ее радиационным балансом и парниковым эффектом, обусловленным ее атмосферой (впервые об этом эффекте заговорил Жозеф Фурье в 1820-х годах). Температуру Земли можно вычислить, сложив энергию, полученную от Солнца и от источников в земных недрах, и вычтя из этой суммы энергию излучения, покидающего поверхность Земли. Предположим для начала, что у нашей планеты нет атмосферы. Тогда для современной Земли мы получим температуру -20 °C. Оказывается, наша планета и в самом деле должна быть ледяным миром! Так было бы, если бы не существовало атмосферы или если бы она состояла из чистого азота (с кислородом или без). Вычисленная нами температура на 35 °C ниже, чем реальная средняя температура Земли +15 °C.

Когда Земля была моложе, скажем, 2,5 млрд лет назад, Солнце светило не так ярко: от него поступало на 10 % меньше энергии. Это означает, что температура могла быть еще ниже, примерно -28 °C. Но из геологических данных известно, что Земля большую часть своей истории была свободна от льда. Планете требовалось какое-то «одеяло», чтобы поднять температуру хотя бы чуть выше точки замерзания. Разумеется, это было газовое одеяло толщиной несколько километров, состоящее из парниковых газов — воды, двуокиси углерода и метана. Содержание каждого из этих газов менялось со временем.

Теплосберегающее воздействие парниковых газов было очень важно для жизни на Земле как в древние времена, так и сейчас. Парниковый эффект возникает следующим образом. Солнечное из-лучение нагревает Землю. Нагретая Земля сама начинает излучать, но в основном в длинноволновой инфракрасном диапазоне (а еще и некоторая доля солнечного инфракрасного излучения отражается от поверхности Земли). Часть испущенной в инфракрасном диапазоне энергии поглощается парниковыми газами, которые затем переизлучают ее во всех направлениях. Часть этого излучения уходит в космос, а другая часть нагревает нижние слои атмосферы. Этот нагрев и есть парниковый эффект. Сейчас он составляет около 35 °C, что совсем не мало. Половина эффекта возникает из-за водяного пара (но не облаков!), примерно одна пятая из-за двуокиси углерода, а остальное в основном обязано метану и озону, а также и некоторыми другими малым компонентам парникового газа. Нужно отметить, что молекулярный кислород, молекулярный азот и водород не являются парниковыми газами, так как не поглощают инфракрасное излучение.

Наша планета сейчас пребывает в состоянии равновесия. В эпохи, когда количество парниковых газов уменьшалось, Земля сползала в состояние оледенения, из которого ее выводила вулканическая активность. Но сложись все по-другому, мы бы могли оказаться перед лицом серьезной угрозы: парниковый эффект нагревания мог бы пойти вразнос.

Изменение температуры на пару градусов в любую сторону при наличии парникового эффекта может иметь серьезные последствия. Например, существенное уменьшение содержания водяного пара в атмосфере может привести к быстрому понижению температуры. А внезапное таяние метановых клатратов в глубинах морей вызовет рост содержания метана в атмосфере, что усилит парниковый эффект. Сейчас наибольшее внимание уделяется прогнозам глобального потепления из-за роста концентрации СO2. Среднее содержание СO2 увеличилось за 20 лет примерно на 30 ppm (parts per million = миллионных частей) и сейчас достигло уровня около 390 ppm. Такой рост С02 считается очень серьезным. Простой расчет поможет нам оценить его влияние на среднюю температуру. Предполагая, что пятая часть парникового эффекта обусловлена СO2, мы можем оценить его вклад примерно в 35 °C/5 — 7 °C. Через 20 лет относительное увеличение СO2 составит около 8 %. Перемножив эти числа, получим, что рост содержания двуокиси углерода в ближайшие 20 лет увеличит парниковый эффект на 0,6°! Это дает представление о серьезности проблемы. Увеличение температуры на 3° привело бы к драматическим последствиям для всей природы, включая род человеческий, поскольку изменились бы источники чистой воды, повысился бы уровень океана и начались бы проблемы с урожайностью.

Наш расчет упрощен и не учитывает многие явления, существующие в реальной природе и обеспечивающие механизмы обратной связи, такие как изменение облачности, величины капель воды, аэрозольных составляющих, а также взаимодействие рассеянной ветром морской воды с атмосферой и взаимные связи разных составляющих атмосферы, возникающие на разных временных интервалах. Не говоря уже о некоторых особых связях, таких как взаимодействие между атмосферой, Антарктическим и Гренландским ледяными щитами и приповерхностными и глубоководными океанскими течениями. Нужно также учитывать и медленное изменение светимости Солнца. Многие эти факторы уже включены в программы моделирования климата в пределах возможностей компьютеров, но даже наша грубая оценка дает значение, довольно близкое к наблюдаемому. Модели прогноза климата очень сложны и в настоящее время могут, в лучшем случае, давать более или менее правдоподобные оценки, но в целом все они сходятся в том, что температура возрастет на 1,5–4,5 °C за ближайшее столетие.

Глава 30 Возникновение и эволюция жизни

В истории можно проследить два взгляда на происхождение жизни. Один из них заключается в том, что жизнь возникла когда-то в далеком прошлом. В частности, согласно еврейской и христианской традициям, закрепленным в книге Бытия, Бог создал все живое таким, каково оно и сегодня. Иного мнения придерживались древние греки, считавшие, что жизнь может появляться в любое время самопроизвольно и прямо из неодушевленного вещества. В соответствии с этой традицией всего лишь несколько столетий назад считалось, что черви и мыши возникают из грязи. В самопроизвольное появление жизни верили такие люди, как Ньютон, Декарт и Уильям Гарвей (1578–1657), открывший кровообращение.

Рис. 30.1. Луи Пастер (1822–1895) показал, что жизнь не возникает самопроизвольно за короткое время.

Но некоторые высказывали сомнения: Франческо Реди (16261697) показал, что личинки не появляются в старом мясе, если его защитить от мух, а Лазаро Спалланцани (1729–1799) — что микробы не размножаются в прокипяченном закрытом бульоне. Наконец, французский химик Луи Пастер исследовал разнообразные микроорганизмы и показал, что многие из них распространяются по воздуху и вызывают разные явления, например инфекцию ран. Опыты Пастера по тщательной стерилизации окончательно покончили с представлением о каждодневном спонтанном зарождении жизни из неодушевленного вещества (рис. 30.1).

Но даже если жизнь не возникает легко и регулярно из неживого вещества, было бы логично (как вариант первого исторического взгляда, упомянутого выше), что жизнь должна была по крайней мере однажды зародиться из неживой материи в далеком прошлом. Начало современным теориям возникновения жизни положил русский ученый, академик Александр Иванович Опарин (1894–1980) в книге «Происхождение жизни», изданной в 1924 году. Он утверждал, что живые структуры, вероятно, не были способны сами управлять своим синтезом или синтезом своих составляющих частей, поэтому они должны были формироваться в результате самопроизвольных химических реакций между составляющими, существовавшими до этого. Английский биолог Джон Холдейн (1892–1964) высказывал такое же мнение.

Мы не вполне понимаем, как жизнь возникла на Земле, но знаем, каковы основные функциональные компоненты жизни. Жизнь основана на генетической информации, закодированной в нуклеотидной последовательности ДНК и интерпретируемой с помощью РНК-копий, служащих матрицами для производства белков, которые в свою очередь управляют всеми биохимическими процессами в клетке. В живых организмах ДНК играет определяющую роль, поскольку содержит все инструкции о том, какие белки нужны клетке и как они устроены. Кроме того, с помощью ДНК происходит передача важнейшей информации от одного поколения к другому. Но сама ДНК не способна использовать эту информацию. Это как жесткий диск компьютера: ему требуется драйвер (РНК), чтобы прочитать информацию и передать ее исполняющим программам, которые отобразят ее на экране. Однако сама эта информация — то есть белки — тоже нужна для репликации ДНК, а также и на каждом шагу при транскрипции и трансляции гена. Таким образом, генетическая информация — это часть циклического процесса, окончательный продукт которого необходим для поддержания самого процесса. Перед нами классическая дилемма «курица — яйцо». Как могла начать функционировать эта система, если ее продукты необходимы для получения информации, а информация требуется для создания продуктов и одно невозможно без другого?

Ясно, что одна из частей современного цикла должна была возникнуть раньше других. Хотя сейчас РНК в основном служит переносчиком генетической информации от ДНК к белкам, но она же может быть и катализатором многих реакций. Ее каталитические возможности не так разнообразны, как у белков, но, несмотря на это, молекулы РНК выполняют некоторые жизненно важные функции (например, в процессе трансляции соединяют аминокислоты внутри рибосомных комплексов). Вполне вероятно, что современном}- жизненному циклу — от ДНК к РНК и затем к белкам — предшествовала более простая форма жизни, основанная лишь на РНК и белках. Эта гипотетическая эра, когда генетический код мог быть записан только в РНК-последовательности, называется РНК-белковым миром.